《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：3D printing of hydrocolloid-based products: Characteristics, pretreatments, and applications
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摘要由于具有理想的特性和加工性能，亲水胶体引起了越来越多的关注。这些材料是 3D 打印的有前途的候选材料，能够实现定制化食品产品的制造。然而，亲水胶体表现出不同的特性，并对各种预处理方法有不同的响应，这两者都可能影响最终产品的可打印性。因此，本综述旨在系统总结不同类别亲水胶体
摘要
由于具有理想的特性和加工性能，亲水胶体引起了越来越多的关注。这些材料是 3D 打印的有前途的候选材料，能够实现定制化食品产品的制造。然而，亲水胶体表现出不同的特性，并对各种预处理方法有不同的响应，这两者都可能影响最终产品的可打印性。因此，本综述旨在系统总结不同类别亲水胶体的结构特征，阐明各种预处理方法调节其打印性能的机制，并建立材料性质、加工策略和潜在应用之间的联系，以促进适当打印条件的选择。亲水胶体的打印行为受其固有特性和浓度的强烈影响，而各种预处理方法可以显著改变其流变性能和质构性能。联合预处理和新兴加工技术为进一步提高 3D 打印性能提供了更多机会。基于亲水胶体的 3D 打印产品也显示出用于特殊人群定制食品、包装、支架和递送系统的潜力。本综述为从事 3D 食品打印和基于亲水胶体产品开发的研究人员、食品科学家和实践者提供了材料选择、工艺优化和产品开发的指导。
引言
亲水胶体通常指一类天然或合成的亲水性大分子物质，可溶解或分散于水中，或吸水溶胀，从而形成粘稠溶液、分散体或凝胶。亲水胶体含有大量羟基，赋予其高亲水性并促进其与水分子的相互作用。对水的这种强亲和力使亲水胶体能够形成介于真溶液和悬浮液之间的胶体分散体 (Rivas-Llamas 等，2025)。它们通常表现出增稠、稳定和凝胶化特性，并能改变液体的流变性能。这些特性使得亲水胶体在食品和生物医学等领域得到广泛应用 (Koko 等，2023)。亲水胶体通常分为天然、半合成或合成类别 (Rivas-Llamas 等，2025)。天然亲水胶体通常来源于天然来源，如海藻提取物、树胶、谷物粉和发酵产物 (Lu 等，2021)。此外，亲水胶体来源于广泛的来源，包括植物、藻类、动物和微生物 (Williams & Phillips, 2021; Wüstenberg, 2014)。
由于分子结构的差异，亲水胶体表现出不同的特性和功能。表 1 总结了亲水胶体的分子结构、电荷类型和关键特性。在植物来源的亲水胶体中，淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成，主要是线性的直链淀粉链可以通过分子缔合和缠结形成三维凝胶网络 (Xie 等，2025)。果胶的凝胶化行为由酯化度决定。高甲氧基果胶依靠氢键和疏水相互作用来稳定其凝胶网络，而低甲氧基果胶则通过羧基之间 Ca2+ 介导的离子交联形成凝胶 (Wang 等，2022)。醋酸纤维素可以通过其残留羟基 easily 进行功能化，并可用于构建可再生的多孔吸附材料 (Lu 等，2025)。在藻类来源的亲水胶体中，κ-卡拉胶表现出良好的生物降解性和水溶性，而其抗菌活性受其分子量、3,6-脱水 -D-半乳糖含量和硫酸基团的影响 (Jabeen 等，2025)。琼脂由线性琼胶糖和轻微分支的琼脂聚糖组成。前者主要贡献凝胶强度，而后者增强网络灵活性，使琼脂适用于 3D 生物打印和生物医学领域 (Beni 等，2025)。微生物来源的黄原胶表现出高粘度和假塑性行为，而其溶液粘度受温度依赖的分子构象变化的影响 (EFSA, P. O. F. A, 等，2017)。动物来源的明胶通过肽链之间的氢键和疏水相互作用形成三维网络，并表现出优异的生物相容性、可降解性和低免疫原性，这促使其在生物医学应用中的广泛使用 (Forgács 等，2025)。
作为一种新兴的增材制造技术，三维 (3D) 打印越来越多地用于制造基于亲水胶体的产品，以满足消费者对多元化产品的需求。由于其可食用性和可调变的流变性能，亲水胶体已成为 3D 打印的有前途的功能性墨水和支撑材料。预处理后，亲水胶体形成凝胶网络，经历剪切诱导的结构破坏，从而降低流动阻力并促进平滑挤出。一旦施加的剪切力去除，网络恢复，帮助打印结构保持预期形状，从而能够实现各种基于亲水胶体的 3D 打印产品的制造 (Rivas-Llamas 等，2025)。这不仅能够实现定制化或高性能食品的开发，还扩展了生物医学应用的潜力。然而，现有的关于 3D 打印亲水胶体的综述仍然碎片化，缺乏对其在食品工业中的作用、优化策略、凝胶化机制和 3D 打印应用的系统分类和综合，从而限制了创新型基于亲水胶体产品的进一步发展。因此，有必要对 3D 打印亲水胶体进行系统而全面的综述。
使用从 Web of Science 核心合集检索的出版物进行了文献计量分析。搜索结合了与 3D 打印、食品和亲水胶体相关的术语。使用 VOSviewer 进行了关键词共现分析 (图 1)。3D 打印与流变性能、可打印性、食品、凝胶和淀粉密切相关，表明材料特性与打印性能之间的关系是一个主要研究重点。亲水胶体 (包括淀粉、卡拉胶、黄原胶、明胶、海藻酸盐、纤维素和壳聚糖) 与凝胶化、pH、微观结构、稳定性和机械性能密切相关，突出了亲水胶体基 3D 打印中结构 - 性能关系和加工调节的重要性。此外，吞咽困难、包埋、抗氧化和递送等关键词反映了功能性定制化食品产品中的 3D 打印亲水胶体系统。总体而言，该网络表明，当前研究主要集中在亲水胶体特性、加工相关调节、可打印性和新兴应用上。
本综述概述了基于亲水胶体的 3D 打印产品，简要介绍了各种亲水胶体的结构特征，并总结了报道的最佳 3D 打印条件 (在浓度、预处理和打印参数方面)。本综述还系统地总结了各种预处理方法，特别强调了需要进一步研究的新兴加工技术。本综述还对不同类型的 3D 打印产品进行了分类，突出了其多样化应用和定制潜力。最后，本综述提出了基于亲水胶体的 3D 打印产品创新开发的未来研究方向。
章节摘要
基于亲水胶体的产品特性
不同的亲水胶体具有不同的分子结构和特性，导致其增稠和凝胶化行为存在差异。这些差异导致了具有不同流变行为和打印特性的产品 (Kim 等，2017)。在优化条件下，基于亲水胶体的材料可以通过 3D 打印制造出具有所需特性的产品。为了总结基于亲水胶体食品的最佳打印策略，本节回顾了 3D
可 3D 打印亲水胶体的预处理方法
几种亲水胶体在适当浓度配制后可直接用于 3D 打印。然而，一些亲水胶体要么在打印过程中表现出较差的挤出性，要么无法在最终的 3D 打印产品中获得所需的形状保真度和结构稳定性。适当的预处理可以增强亲水胶体的可打印性 (Li, Wang, 等，2025; Lu 等，2024)。通过研究预处理对亲水胶体可打印性的影响，最佳条件
可 3D 打印亲水胶体产品应用
不同的预处理方法可以改变亲水胶体的可打印性，从而能够制造出多样化的 3D 打印产品。这些产品满足多样化的需求，通常可分为几个应用领域，包括可打印性优化、稳定性增强的加工食品、具有特殊特性的功能食品以及生物医学应用 (Arshad 等，2025)。
挑战与机遇
亲水胶体可归类为植物来源、藻类、微生物、动物来源和复合类型 (Zang 等，2024)。然而，对新型和改性亲水胶体的研究仍然有限。未来，可以开发更多新型和可持续的亲水胶体资源，如功能微藻和微生物发酵产生的胞外多糖。
亲水胶体需要适当的预处理才能实现食品制造所需的可打印性。然而，
结论
现有证据表明，基于亲水胶体系统的 3D 打印性能由固有材料特性、配方组成、预处理条件和后续加工决定。亲水胶体的类型和浓度建立了打印墨水的根本流变和结构特性，而适当的预处理可以调节粘度、剪切变稀行为、网络强度、自支撑能力、层间粘附以及
CRediT 作者贡献声明
Yaxin Wen: 可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，概念化，写作 – 审阅 & 编辑，写作 – 原稿。Hyun Jin Park: 监督，资源，方法论，写作 – 审阅 & 编辑。Yanxing Zhang: 写作 – 原稿。Hyun Woo Kim: 写作 – 审阅 & 编辑。Cai'e Wei: 写作 – 原稿。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。
致谢
本工作得到 福州大学 资助 (XRC-23124)。本研究得到 韩国国立大学，大韩民国 资助，同时也得到由 韩国政府 (MSIT) 资助的 韩国研究基金会 (NRF) 的 [全球学者研究计划] 资助 (编号 RS-2026-25598715)。
Yaxin Wen|Yanxing Zhang|Cai'’e Wei|Hyun Woo Kim|Hyun Jin Park
福州大学生物科学与工程学院，中国福州 350108
